Fra denne historie
[×] LUKKET
VIDEO: 36 usædvanlige måleenheder - mental_floss på YouTube (Ep.10)
En elektronisk scanningsmikrograf af molekylevejningsapparatet. Når et molekyle lander på den brolignende del i midten, vibrerer det med en frekvens, der angiver dens masse. Billede via Caltech / Scott Kelberg og Michael Roukes
Hvor meget tror du et molekyle vejer? Et molekyle, der er en enkelt gruppe af bundne atomer - de to hydrogener og et ilt, der udgør for eksempel H2O - er næsten uforståeligt lille. En mol vand, som er omtrent 0, 64 ounce, har 602.214.078.000.000.000.000.000 molekyler. Molekyler, kort sagt, er virkelig, virkelig, virkelig små.
Indtil nu kunne forskere kun beregne massen af store grupper af molekyler ved at ionisere dem (give dem en elektrisk ladning) og derefter se, hvor stærkt de interagerede med et elektromagnetisk felt, en teknik kendt som massespektrometri. De havde imidlertid ingen måde at måle massen af et enkelt molekyle.
Men i går meddelte forskere fra Caltech opfindelsen af en anordning, der direkte måler massen af et individuelt molekyle. Som beskrevet i et papir, der er offentliggjort i tidsskriftet Nature Nanotechnology, er det lille apparat bygget omkring en brolignende struktur, der vibrerer med en bestemt frekvens baseret på molekylets masse ovenpå. Ved præcist at spore broens vibrationsfrekvens kan de bestemme den nøjagtige masse af molekylet.
”Det kritiske fremskridt, vi har gjort i dette aktuelle arbejde, er, at det nu giver os mulighed for at veje molekyler - en efter en - når de kommer ind, ” siger Michael Roukes, den grundlæggende efterforsker af laboratoriet, der producerede papiret. "Ingen har nogensinde gjort dette før."
For det blotte øje er enheden i det væsentlige usynlig - skalaen i bunden af mikroskopbilledet ovenfor er to mikron lang eller to milliondele af en meter. Den vibrerende bro i midten er teknisk kendt som en nanoelektromekanisk systemresonator og har været under udvikling i over et årti.
I det tidligere arbejde, der blev offentliggjort i 2009, viste forskerne, at de kunne måle massen af partikler, der blev sprøjtet på apparatet, men med en begrænsning: Det var ikke følsomt nok til kun at måle et molekyle ad gangen. Fordi det specifikke sted, hvor en partikel landede, påvirkede vibrationsfrekvensen, og forskerne ikke havde nogen måde at vide nøjagtigt, hvor dette ville være, var de nødt til at anvende flere hundrede identiske partikler for at finde et gennemsnit, hvilket afslørede massen.
Fremskridt gør brug af en ny indsigt i, hvordan broens vibrationsfrekvens ændres, når et molekyle sprøjtes på den. Vibrationerne forekommer i to tilstande samtidig: Den første tilstand svinger fra side til side, mens den anden tilstand sker i form af en oscillerende S-formet bølge, der bevæger sig op og ned ad broen. Ved at analysere nøjagtigt, hvordan hver af disse tilstande ændrer sig, når molekylet rammer enheden, fandt forskerne, at de kunne bestemme dens position og dermed dens nøjagtige masse.
I undersøgelsen demonstrerede forskerne effektiviteten af værktøjet ved at måle massen af et molekyle kaldet immunoglobulin M, eller IgM, et antistof produceret af immunceller i blodet, og som kan eksistere i flere forskellige former. Ved at veje hvert molekyle kunne de bestemme nøjagtigt, hvilken type IgM det var, hvilket antydede om potentielle fremtidige medicinske anvendelser. En slags kræft, kendt som Waldenström macroglobulinemia, afspejles for eksempel af et bestemt forhold af IgM-molekyler i en patients blod, så fremtidige instrumenter, der bygger på dette princip, kunne overvåge blod for at detektere antistof-ubalancer, der tyder på kræft.
Forskerne ser også for denne type apparater som en hjælp til biologiske forskere, der undersøger det molekylære maskineri inde i en celle. Da enzymer, der driver en celles funktion, er meget afhængige af molekylære tilknytninger på deres overflade, kan præcise vejning af proteiner på forskellige tidspunkter og i forskellige typer celler hjælpe os med bedre at forstå cellulære processer.
Holdet forudsiger endda, at deres opfindelse kunne have kommercielle applikationer til hverdagen. Miljøovervågninger, der for eksempel sporer nanopartikelforurening i luften, kunne f.eks. Aktiveres ved hjælp af arrays af disse vibrerende broer.
Det er vigtigt, siger videnskabsmændene, at enheden blev konstrueret ved hjælp af standard-halvlederfabrikationsmetoder - de samme, der bruges i almindelige elektriske kredsløb - så det teoretisk kan opskaleres til apparater, der inkluderer hundreder eller titusinder af enkeltmolekylsensorer, der fungerer på én gang. ”Med integrationen af enhederne, der er lavet af teknikker til storskala integration, er vi godt på vej til at skabe sådanne instrumenter, ” siger Roukes.
